|
发布会上，演示了LIGO隔离震动的基本原理：当你高频摇动一个摆的绳端，摆并不会跟你一起摇动，反而会维持稳定。 从2015年9月至今，“引力波之发现”的消息像一只调皮的幽灵，以形形色色的版本穿梭于天文和物理学界，它时隐时现，像剂量不断增强的兴奋剂，一次次激起人们的窥探欲。 在北京时间2月11日晚11点30分，美国国家科学基金会就探测引力波的研究进展进行报告。LIGO科学合作组织面向全社会宣布，LIGO首次直接探测到引力波和首次观测到双黑洞碰撞与并合，科学家直接探测到了引力波！ 五花八门的引力波探测器中，为什么是LIGO笑到了最后？ 引力波探测器哪家强 爱因斯坦1916年就提出引力波这茬儿了，到上世纪六十年代左右，就有人开始琢磨怎么探测引力波。最早的引力波探测器长这样： 一个大铝筒。基本原理是，如果引力波的频率跟铝筒的共振频率一致，会引起它的收缩—拉伸。旁边的人叫乔·韦伯(Joe Weber)，公认的引力波探索先驱。他曾在1969年宣布，用这台机器测到了引力波。 但是同行重复他的实验，没有一个能重现这一结果的。所以大家认为他搞错了。 这次测到的引力波的振幅是10-21。很明显，用越大的数字去乘这个10-21，会得到一个越大的结果。这个铝筒这么小，显然得不到什么结果。要知道LIGO的臂长就有4km，内部更是让光路反射了400次，激光光路长度达到1600km，这么大的数去乘那个10-21，才勉强得到一个大约跟质子半径一个量级的变化。所以这种几十年前的棒状引力波探测器，显然不可能有什么结果。 后来人们发展出了激光干涉仪为原理的探测器。代表就是美国的LIGO和欧洲的VIRGO。 其基本原理是，把引力波扫过导致的长度变化，转变为激光干涉结果的光强变化。“干涉”几乎是精密测量的“作弊器”，不用什么别的工具，我们能通过手机贴膜贴合不均匀处的干涉条纹，直观看出贴合间距的微小变化。LIGO也能通过测量两束相干红外激光的干涉光强，判断激光臂长的极微弱变化。 同样的原理，放到天上，能得到更长的臂长：长达数万公里。这样引力波导致的变化将更加明显。所以美欧提出了LISA计划，中国也提出了“天琴计划”，都是打算发射空间卫星，组成干涉仪网络，进行长距离的干涉测量。 更长的臂长就只能靠天上本来就有的东西了：脉冲星、微波背景辐射。脉冲星的周期会受到经过的引力波的扰动，而微波背景辐射里，据信留有宇宙大爆炸时原初背景辐射的印迹。它们也可以用于示踪引力波。 波速不变的话，波长与频率成反比。臂长越长，对越长的波长更敏感，也就是对更低的频率更敏感。所以LIGO、LISA、脉冲星、微波背景辐射，它们分别示踪一系列不同频率的引力波信号，彼此互为补充，不能相互替代。 其中，LIGO这种几公里基线的激光干涉仪，对频率约为100的信号最敏感——这正是双黑洞、双中子星等双致密天体并合前的一瞬发出的引力波的频率。这种双星并合事件的引力波最有独特特征，最容易识别，因此不难理解，是LIGO抢先探测到了引力波。 而LISA、“天琴”就要低频一些了，它们对频率为约为10-2到10-4左右的信号最敏感。因此它们更适合寻找银河系中相对慢速绕转的双致密星，以及因身材庞大而转不快的超大质量双黑洞。 脉冲星适合探测频率约为10-8的引力波，宇宙微波背景辐射更是只能探测约为10-16次方这样极端低频的引力波。以上所有这些，就像是工作在不同的电磁波段一样，共同描绘出完整的引力波的多彩世界。 LIGO的“黑科技” 就算LIGO的臂长对应的引力波频率跟双黑洞并合刚好一致，就算干涉原理吊炸天，凭什么LIGO可以测得出千分之一个质子半径的细微变化？ 大陆板块在移动，大海在拍击着全球的洋底，大气呼号着，整个北美大陆的汽车轰鸣着，蚂蚁军团就在隔壁掀起了一场灭国之战……想要把所有这些噪声隔离开，专心倾听来自十几亿光年外、振幅为千分之一质子半径的波动？ 这就好比太平洋上台风肆虐时，我在上海的岸边扔了一粒石子，请你在加州海滩上测出它的涟漪。但总的来说我们有这么几个办法。 隔离震动 当你把这招用到极致，就是这样： 左图是升级改造前的LIGO：反射镜仅有25厘米直径，用两根钢丝吊起。而右图中，升级改造后的Advanced-LIGO，使用了远为复杂的机构，和更大、更重的反射镜，来最小化反射镜本身的晃动。 干涉 两束光，峰谷对应，得到的光峰谷分别加强，总光强更强；峰谷错位相消，则最后什么光都没有剩下。 这样，光强极为灵敏的显示了两束光的峰谷之间的细微差距。 功率倍增器 激光越强，干涉产生的图样越清晰易测量。为了保证效果，LIGO需要750千瓦的激光功率——但LIGO激光功率其实只有200瓦——为将此功率倍增，LIGO让入射的激光首先在很多镜面之间来回反射，并将反射后强度叠加后的光原路输回原光路，形成所谓“能量循环”，满足了LIGO的功率要求。 镜子 纯二氧化硅打造，每300万个光子入射，只有1个会被吸收。一个字，亮。 真空 LIGO的激光臂全部在真空腔内，其真空腔体积在地球上仅次于LHC（欧洲的大型强子对撞机），气压仅为万亿分之一个大气压。 反射 有如上所述的强激光、超洁净的镜片和真空环境，LIGO才能无所畏惧的让激光在4km臂中反射了400次再进行干涉——这极大地增加了LIGO的有效臂长，让它能以1600km的臂长，探测更低频的信号，并且得到更显著的测量结果。 发布会上，美国人表示“LIGO是世界上最精密的测量仪器”，诚哉。 （稿件来源：微信公众号天文八卦学，作者系国家天文台在读博士） （责任编辑：王蔚） |
